Elements and atoms

Diode (video) | Semiconductor devices | Khan Academy

•Current transcript segment:0:00- [Voiceover] 二极管是我们的第一个半导体器件、
  • 0:03 而且是非常重要的一个。

  • 0:04其他所有半导体基本上都是由二极管组合而成的

  • 0:07 由二极管组合而成。

  • 0:09 这是一张你能买到的二极管的图片。

  • 0:12 这是一个小小的玻璃封装、

  • 0:16 那里的距离大约是四毫米。

  • 0:20 而在这里面,就在这里面、

  • 0:23 是一个小硅芯片、

  • 0:26 它被制造成一个二极管。

  • 0:29那么问题来了,什么是二极管?

  • 0:32 二极管是单向导电的东西、

  • 0:36 而在另一个方向上不导电。

  • 0:41 二极管的符号是这样的。

  • 0:50 这里有一个大箭头、

  • 0:52 它指向正向电流的方向。

  • 0:58 了解二极管工作原理的一种方法是

  • 1:00 是绘制 IV 曲线。

  • 1:02让我们画出二极管的 IV 曲线。

  • 1:10如果这是一个用未知技术制造的完美二极管、

  • 1:13 会发生相反的情况、

  • 1:17 如果二极管两端的电压为负值、

  • 1:22 我们这样标注电压、

  • 1:25 如果二极管两端的电压是负值,也就是说、

  • 1:28 这个端子的电压比这个端子的电压高、

  • 1:33 则电流为零。

  • 1:35 如果电压为正,那么二极管上的电流为零、

  • 1:40 基本上,二极管看起来就像一根导线。

  • 1:44所以我可以把它称为

  • 1:45 二极管的零号模型。

  • 1:51现在,当我们制造真正的二极管时、

  • 1:52 会发生的情况是,我们并不能完全获得这种完美的行为、

  • 1:57 所以,特别是如果我们用硅材料制造二极管、

  • 2:01 我们可以使用第一种模型。

  • 2:08 硅二极管实际上不会传导

  • 2:11 到一个轻微的正电压、

  • 2:13 然后它就会像这样上升、

  • 2:16 这大约是六伏特。

  • 2:20 对于我们构建的许多简单电路来说、

  • 2:22 这是一个非常好的二极管 IV 模型。

  • 2:27 作为提醒,当我们有电阻器的 IV 曲线时、

  • 2:31 电阻器的 IV 曲线是这样的、

  • 2:35 它是一条经过零点的直线、

  • 2:38 而且斜率恒定、

  • 2:39 所以二极管是一种真正不同的器件、

  • 2:44 从这里我们可以看到,它是一种非线性器件。

  • 2:49让我把这里移上去,现在我们来看看下一级模型、

  • 2:53 这其实是我最想讲的一个。

  • 2:59 这就是我们经常使用的二极管模型、

  • 3:02 所以我称其为二号模型。

  • 3:06 这是你模拟电路时使用的模型

  • 3:08 或模拟二极管时使用的模型。

  • 3:11关于这一点更多一点。

  • 3:13当你有一个二极管时,如果我给你一个这样的二极管、

  • 3:20 我说它的 IV 曲线是怎样的?

  • 3:22 那么我会做的就是找到某种盒子

  • 3:27 它能为我提供电压,一个电源、

  • 3:32 上面有一个调节器、

  • 3:33 然后我还要找一个能读取电流的东西。

  • 3:40 这是电流表,这是电压表。

  • 3:46 像这样连接起来。

  • 3:48 我们要做的是生成 IV 曲线

  • 3:50 通过实际测量 I 和 V。

  • 3:57 所以我的第一个 V 设置为零、

  • 3:59 这样就得到了这个点、

  • 4:02 我希望测量到的电流为零、

  • 4:05 否则这东西就会发电、

  • 4:06 这是不可能的。

  • 4:09 然后我稍微调高电压、

  • 4:11 我发现没有电流、

  • 4:12 一伏特时没有电流

  • 4:15 或两伏时

  • 4:16 当电压达到六伏特左右时,二极管上就没有电流了、

  • 4:22 在二极管上,这里是VD,这里是、

  • 4:32当二极管上的电压在六伏特左右时

  • 4:34 我注意到电流上升了。

  • 4:35所以电流上升到五毫安、

  • 4:37 再高一点,就到了十毫安、

  • 4:40 就像这样,我可以绘制出所有这些点

  • 4:43 沿着曲线的这一部分。

  • 4:46现在,我回到这里,改变这里的电压

  • 4:49反过来读、

  • 4:52 这意味着我在电压轴上向这边移动。

  • 4:59 我的电流表读数为零毫安。

  • 5:03零、零、零、零、零。

  • 5:05所以它们就绘制在这条线的这一部分。

  • 5:09现在,如果我让这个电压变得非常大,非常负、

  • 5:12比如我把电压调到负50伏、

  • 5:15 就是这里、

  • 5:18 会发生什么呢?

  • 5:21 就像这样,一直持续下去。

  • 5:26 这就是所谓的击穿,VBR 就是击穿。

  • 5:30对于硅二极管来说、

  • 5:32 50 伏特以下是典型值。

  • 5:36这张图显示了刻度的中断、

  • 5:38 所以这是负一伏或负两伏、

  • 5:41 然后我们一直到 50 伏,负 50 伏、

  • 5:45 这就是发生故障的地方。

  • 5:47 大多数情况下,当我们使用二极管时、

  • 5:49 我们使用的是正负一伏之间的二极管

  • 5:52之间。

  • 5:56这就是我们如何知道二极管IV特性的方法。

  • 我们可以做的是

  • 6:02 对于这一段曲线,就在这里、

  • 6:05 对于曲线的这一部分、

  • 6:07 我可以用一个方程来模拟。

  • 6:09 等式看起来是这样的。

  • 6:13 这是二极管的 IV 方程、

  • 6:15 所以这有点像二极管的欧姆定律。

  • 6:20I 等于 IS,这是电流、

  • 6:25times e to the q, that’s the charge on an electron、

  • 6:32 二极管上的 V 乘以二极管上的电压、

  • 6:36 除以 kT 减 1。

  • 6:44K 是玻耳兹曼常数、

  • 6:46 而 T 是设备的温度、

  • 6:48 测量单位是开尔文。

  • 6:52因此,这个等式实际上符合曲线的这一部分

  • 6:56 对于一个真正的二极管来说,这是一条拟合曲线。

  • 7:02 我们一个一个来看这些常数。

  • 7:03IS 称为饱和电流。

  • 7:11饱和电流。

  • 7:17 对于硅来说,对于硅来说,这个值是

  • 7:20大约是10到负12安培、

  • 7:26 也就是一皮安培,IS就是这么多。

  • 7:30Q 是电子上的电荷、

  • 7:35 等于1.602乘以10的负19次方库仑。

  • 7:47这是q,VD是二极管两端的电压、

  • 7:52K是波尔兹曼常数,通常是个小K、

  • 8:00 相当于 1.38 乘以 10

  • 8:06 到负 23 焦耳/开尔文。

  • 8:18 最后一个变量是 T、

  • 8:21 这就是温度、

  • 8:22 这是以开尔文为单位的,有一个大大的 K。

  • 8:28开尔文是绝对温标、

  • 8:30 所以零开尔文等于零下273摄氏度。

  • 8:41非常非常冷。

  • 8:44所以这里就是二极管方程、

  • 8:49 这就是二极管四方程。

  • 8:53 它有一个指数形状、

  • 8:57 它有一个指数项、

  • 8:59但是当我们看这里的时候、

  • 9:00也许这看起来不像指数曲线、

  • 9:02 你还没见过这样的曲线。

  • 9:03但实际上,这只是一个小技巧

  • 9:05 这幅图的比例、

  • 9:07 所以我现在要做的就是放大

  • 9:09 放大到非常近的距离,就在这个原点上、

  • 9:12 我们来看看这个指数项是如何显示出来的、

  • 9:17 我们来看看 IS 的含义。

  • 9:28 I等于IS乘以e qV超过KT减1、

  • 9:39 这是一个特写,这是一个极端特写

  • 9:41 二极管曲线的原点。

  • 9:44 电压刻度放大了约 10 倍、

  • 9:46 所以这里是二极管正向电压的十分之一伏、

  • 9:49 电流刻度被放大了很多、

  • 9:53 现在的单位是皮安、

  • 9:55 所以这里的单位是 10 到负 12 安培

  • 9:58 而不是 10 到负 3。

  • 10:01 你可以看到这里、

  • 10:02 这是一条更熟悉的指数曲线。

  • 10:05这里有一点偏移、

  • 10:07当电压为负时,在反方向会有一点微小的电流

  • 10:10当电压为负时。

  • 10:12这里的量,就是IS、

  • 10:17 流向二极管的负方向。

  • 10:21如果我们看一下二极管方程,让电压为负、

  • 10:24 会发生什么呢?

  • 10:29 与 1 相比,变得非常非常小。

  • 10:33 剩下的就是 IS 乘以 1、

  • 10:37 这就是我们现在看到的结果。

  • 10:39 这是一个非常小的电流、

  • 10:41 从这里的刻度可以看出、

  • 10:43 这是低皮安的电流。

  • 10:47 几乎所有时候,你都可以忽略这个电流、

  • 10:48 并将其视为零。

  • 10:52每当我想在电路中使用二极管时、

  • 10:54 我们将看到如何解决包含

  • 10:57 这些非线性二极管。

  • Current transcript segment:0:00- [Voiceover] The diode is our first semi-conductor device,

  • 0:03and it’s a really important one.

  • 0:04Every other semi-conductor is basically made

  • 0:07from combinations of diodes.

  • 0:09And here’s a picture of a diode that you can buy.

  • 0:12This is a, just a small little glass package,

  • 0:16and that distance right there is about four millimeters.

  • 0:20And inside here, right inside here,

  • 0:23is a little silicon chip,

  • 0:26and it’s manufactured to be a diode.

  • 0:29So the question is, what is a diode?

  • 0:32A diode is something that conducts current in one direction,

  • 0:36and does not conduct current in the other direction.

  • 0:41And the symbol we use for a diode looks like this.

  • 0:50It has this big arrow here,

  • 0:52that points in the direction of the forward current.

  • 0:58One way to understand how a diode works

  • 1:00is to draw an IV curve for it.

  • 1:02So let’s draw an IV curve for a diode.

  • 1:10If it was a perfect diode, made in some unknown technology,

  • 1:13what would happen is in the reverse direction,

  • 1:17if the voltage across the diode was negative,

  • 1:22we’ll label the voltage this way,

  • 1:25if the voltage across the diode was negative, that is,

  • 1:28this terminal is at a higher voltage than this terminal,

  • 1:33there would be zero current flowing.

  • 1:35And then for any positive voltage,

  • 1:40basically the diode would look like a wire.

  • 1:44So I can call that, that’s essentially

  • 1:45model number zero of a diode.

  • 1:51Now when we build real diodes,

  • 1:52what happens is we don’t quite get that perfect behavior,

  • 1:57so in particular, if we build a diode out of silicon,

  • 2:01we can go to a, I’ll go to a number one model.

  • 2:08And a silicon diode actually doesn’t conduct

  • 2:11to a slight positive voltage,

  • 2:13and then it would go up like that,

  • 2:16where this is around point six volts.

  • 2:20For a lot of simple circuits that we build,

  • 2:22this is a pretty good IV model of a diode.

  • 2:27Just as a reminder, when we have the IV curve of resistors,

  • 2:31a resistors IV curve looks something like this,

  • 2:35it was a line that went through zero,

  • 2:38and had a constant slope,

  • 2:39so a diode is a really different kind of device,

  • 2:44it’s a non-linear device, as we can see from this.

  • 2:49Let me move up here and now we’ll go to a next level model,

  • 2:53that is actually the one I wanna talk about most.

  • 2:59This is the model of diode that we use most of the time,

  • 3:02so I’ll call this model number two.

  • 3:06This is the model that you use when you’ll simulate circuits

  • 3:08or simulate diodes and we’re gonna talk

  • 3:11about this a little bit more.

  • 3:13When you have a diode, if I gave you a diode like this,

  • 3:20and I said what’s the IV curve of it?

  • 3:22So what I would do is I would find some sort of box

  • 3:27that made voltage for me, a power supply,

  • 3:32with an adjustment on it,

  • 3:33and then I would also have something that read current.

  • 3:40So this is an ammeter, and this is a voltage supply.

  • 3:46And we hook that up like that.

  • 3:48What we’re gonna do is we’re gonna generate this IV curve

  • 3:50by making actual measurements of I and V.

  • 3:57So my first V setting is zero,

  • 3:59that gives me this point here,

  • 4:02I hope I measure a current of zero,

  • 4:05otherwise this thing would be generating power,

  • 4:06which it’s not gonna do.

  • 4:09And then I turn up the voltage slightly,

  • 4:11and what I notice is there’s no current,

  • 4:12there’s no current when it’s at point one volts,

  • 4:15or point two volts.

  • 4:16And then when it gets to around point six volts,

  • 4:22on the diode, here’s VD, and here’s,

  • 4:32when the voltage on the diode is around point six volts

  • 4:34what I notice is the current goes up.

  • 4:35So it goes up to five milliamps,

  • 4:37and then a little bit higher, it goes up to ten milliamps,

  • 4:40like that, and I can plot out all these points

  • 4:43along this part of the curve.

  • 4:46Now, I go back here and I change the voltage here

  • 4:49to read the other way around,

  • 4:52and that means I’m traveling this way on the voltage axis.

  • 4:59And what I’ll read, my ammeter, will read zero milliamps.

  • 5:03Zero, zero, zero, zero, zero.

  • 5:05And so they plot in this part of the line here.

  • 5:09Now if I make this voltage really large and really negative,

  • 5:12say I make this like minus 50 volts,

  • 5:15that’s this point here,

  • 5:18what happens is I see a really sharp increasing current,

  • 5:21like that right there, and it keeps going.

  • 5:26And that is called the breakdown, VBR is breakdown.

  • 5:30And for silicon diodes,

  • 5:32minus 50 volts is a typical value for that.

  • 5:36This graph here shows a break in the scale,

  • 5:38so this is minus one volt, minus two volts,

  • 5:41and then we go all the way out to 50 volts, minus 50 volts,

  • 5:45and that’s where the breakdown occurs.

  • 5:47And most of the time when we’re using diodes,

  • 5:49we’re using them between plus or minus one volt

  • 5:52across their terminals.

  • 5:56That’s how we know what the IV characteristic of a diode is.

  • 6:00And what we can do is actually,

  • 6:02for this section of the curve right here,

  • 6:05for this part of the curve,

  • 6:07I can model this with an equation.

  • 6:09And the equation looks like this.

  • 6:13This is the IV equation for a diode,

  • 6:15so this is sort of like the Ohm’s law for a diode.

  • 6:20I equals IS, this is the current,

  • 6:25times e to the q, that’s the charge on an electron,

  • 6:32times V on the diode, that’s the voltage on the diode,

  • 6:36divided by kT minus one.

  • 6:44K is Boltzmann’s constant,

  • 6:46and T is the temperature of the device,

  • 6:48measured in Kelvin.

  • 6:52So this equation actually fits this part of this curve

  • 6:56for a real diode, it’s a fitting curve.

  • 7:02We’ll look at these constants one at a time.

  • 7:03IS is called the saturation current.

  • 7:11Saturation current.

  • 7:17And for silicon, for silicon that’s a value

  • 7:20of about 10 to the minus 12 amperes,

  • 7:26which is one picoampere, that’s how much IS is.

  • 7:30Q is the charge on an electron,

  • 7:35and that equals 1.602 times 10 to the minus 19 coulombs.

  • 7:47That’s q, VD is the voltage across the diode,

  • 7:52K is Boltzmann’s constant, that’s a small k, usually,

  • 8:00and that equals 1.38 times 10

  • 8:06to the minus 23 Joules per Kelvin.

  • 8:18And the last variable is T,

  • 8:21and that’s the temperature,

  • 8:22and that’s measured in Kelvin, with a big K.

  • 8:28Kelvin is the absolute temperature scale,

  • 8:30so zero Kelvin equals minus 273 degrees Celsius.

  • 8:41Very, very cold.

  • 8:44So this right here is the diode equation,

  • 8:49that’s the diode IV equation.

  • 8:53And it has this exponential shape in it,

  • 8:57it has this exponential term in it,

  • 8:59but when we look over here,

  • 9:00maybe this doesn’t look like an exponential curve,

  • 9:02you haven’t seen a curve like that.

  • 9:03But that actually is just a trick

  • 9:05of the scale of this drawing,

  • 9:07so what I wanna do now is I’m gonna zoom in

  • 9:09really super close, right on this origin right here,

  • 9:12and we’re gonna see how this exponential term shows up,

  • 9:17and we’ll see what the meaning of IS is.

  • 9:28I equals IS times e qV over KT minus one,

  • 9:39and here’s a close up, here’s an extreme close-up

  • 9:41on the origin of the diode curve.

  • 9:44The voltage scale is blown up by about a factor of 10,

  • 9:46so here’s 1/10th of a volt forward across the diode,

  • 9:49and the current scale is super blown up,

  • 9:53this is in picoamperes now,

  • 9:55so this is in 10 to the minus 12th amperes

  • 9:58instead of 10 to the minus three.

  • 10:01And you can see here,

  • 10:02this is a more familiar looking exponential curve.

  • 10:05And over here there’s a little bit of an offset,

  • 10:07there’s a little tiny current in the reverse direction

  • 10:10when the voltage is negative.

  • 10:12And this amount here, that’s IS,

  • 10:17flowing in the negative direction in the diode.

  • 10:21If we look at the diode equation, and you let V go negative,

  • 10:24what happens is this term here in the diode equation

  • 10:29becomes very, very small compared to one.

  • 10:33And what’s left is IS times one,

  • 10:37and that’s what we’re looking at right here.

  • 10:39This is a really small current,

  • 10:41as you can see from the scale here,

  • 10:43it’s down in the low picoamps area.

  • 10:47Almost all the time you can ignore this current,

  • 10:48and just treat it as zero.

  • 10:52Whenever I wanna use a diode in a circuit,

  • 10:54and we’ll see how we solve circuits that include

  • 10:57these non-linear diodes in them.


Elements and atoms
https://gsyx.vercel.app/2023/11/20/Electricity/Diode/
作者
Sal Khan
发布于
2023年11月20日
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